“激光器市場(chǎng)，正在醞釀一場(chǎng)新的風(fēng)暴。”
日前，“十四五”規(guī)劃重磅發(fā)布，其中提出：要聚焦新一代信息技術(shù)、生物技術(shù)、新能源、新材料、高端裝備、新能源汽車、綠色環(huán)保以及航空航天、海洋裝備等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，加快關(guān)鍵核心技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)用，增強(qiáng)要素保障能力，培育壯大產(chǎn)業(yè)發(fā)展新動(dòng)能。與之相關(guān)，激光技術(shù)均在這些產(chǎn)業(yè)中有著廣泛應(yīng)用。
例如，在新一代信息技術(shù)領(lǐng)域，激光通信、激光顯示、光存儲(chǔ)、光傳感都是重要的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用；新材料領(lǐng)域中，光電子材料、固態(tài)激光材料、光伏電池以及材料的加工等都與激光息息相關(guān)；最近市場(chǎng)火熱的新能源汽車領(lǐng)域，激光雷達(dá)、能源電池焊接、汽車板材的加工、切割、清洗等也都是繞不開的重要因素……
然而，在激光市場(chǎng)日趨呈現(xiàn)紅海之際，技術(shù)發(fā)展的路線之爭(zhēng)也愈發(fā)暗流洶涌。
激光業(yè)現(xiàn)狀：市場(chǎng)增速放緩，同質(zhì)化競(jìng)爭(zhēng)嚴(yán)重
近年來，中國(guó)激光產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，尤以激光器為最。作為激光加工系統(tǒng)中必不可少的核心組件之一，激光器被廣泛應(yīng)用于材料加工、通訊、信息處理、醫(yī)療美容、科研軍事等各個(gè)工業(yè)制造領(lǐng)域。
2013－2019全球激光器行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模及增長(zhǎng)率
據(jù)數(shù)據(jù)顯示，2013－2019年全球激光器市場(chǎng)規(guī)模持續(xù)增長(zhǎng)，2019全球激光器市場(chǎng)規(guī)模為151．3億美元，同比增長(zhǎng)1．3％。隨著市場(chǎng)增速放緩，產(chǎn)業(yè)發(fā)展逐漸顯露困境：產(chǎn)品同質(zhì)化日趨嚴(yán)重，市場(chǎng)價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)無序，產(chǎn)品毛利率大幅下降，中小企業(yè)生存環(huán)境愈發(fā)艱難……
隨著產(chǎn)業(yè)升級(jí)對(duì)高端工業(yè)制造的需求不斷提升，國(guó)內(nèi)企業(yè)也不斷加大研發(fā)投入以探索新的技術(shù)路線，通過差異化布局尋求突破來構(gòu)建新的優(yōu)勢(shì)，以求在風(fēng)云變幻的激光產(chǎn)業(yè)中占得先機(jī)。
目前市面上激光技術(shù)研發(fā)的主流路線有兩種：一是激光器功率性能的垂直拓展，即通過突破技術(shù)瓶頸來不斷提升輸出功率，降低價(jià)格，提升效能，以增加產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力；二是新型激光器的橫向拓展，即通過新的光源、介質(zhì)、結(jié)構(gòu)等來開發(fā)新的激光器類型，來開發(fā)新的應(yīng)用場(chǎng)景，開辟新的市場(chǎng)。
伴隨萬瓦級(jí)光纖激光器在市場(chǎng)上如雨后春筍般涌現(xiàn)，同質(zhì)化競(jìng)爭(zhēng)讓產(chǎn)品功率的提升逐漸觸及天花板，垂直的高功率疊加路線愈發(fā)艱難。因此，更多的廠商機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)而尋求新型激光器的橫向突破，而在眾多破局方向中，近幾年興起的“藍(lán)光激光器”被普遍認(rèn)為新型激光器中一個(gè)值得關(guān)注的方向。
差異化破局：藍(lán)光激光器成國(guó)內(nèi)外關(guān)注焦點(diǎn)
所謂藍(lán)光激光器，就是指位于藍(lán)色波段光源的激光器，其波長(zhǎng)約在400 nm－500 nm范圍內(nèi)，工業(yè)級(jí)的藍(lán)光激光器一般是一種半導(dǎo)體激光器。藍(lán)光激光具有波長(zhǎng)短、衍射效應(yīng)小、能量高等特性，在材料加工、光信息存儲(chǔ)、顯示技術(shù)、通信技術(shù)、激光醫(yī)療等都有廣闊應(yīng)用前景。
眾所周知，光有三基色——紅綠藍(lán)（RGB），現(xiàn)今國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上應(yīng)用最多的是波長(zhǎng)為紅外的光纖激光器。相比紅綠激光器技術(shù)早已成熟并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，藍(lán)光激光器卻因材料、成本、技術(shù)等原因，功率一直在數(shù)瓦至數(shù)十瓦徘徊，與動(dòng)輒破萬的光纖激光器來說發(fā)展相對(duì)滯后，成為激光技術(shù)發(fā)展的瓶頸。
藍(lán)光激光器起步較晚，2015年，德國(guó)半導(dǎo)體激光器廠商DILAS公司首次推出一款波長(zhǎng)為450nm的藍(lán)光可視光半導(dǎo)體激光系統(tǒng)，最大輸出功率25瓦，采用光纖芯徑為200μm或400μm，可以擴(kuò)展至100瓦，可用于材料加工；同年，日本島津公司宣布成功研制光纖耦合型高亮度藍(lán)光直接二極管激光器“BLUE IMPACT”，采用藍(lán)光氮化鎵類半導(dǎo)體激光，是全球首個(gè)完成產(chǎn)品化的激光加工用光源。
早期的藍(lán)光激光器功率較低，并未獲得過多關(guān)注。直至近年，隨著藍(lán)光TO封裝單管市場(chǎng)化，價(jià)格降低，功率提高，各種工業(yè)制造和光纖耦合技術(shù)不斷豐富，人們意識(shí)到發(fā)展高功率藍(lán)光激光器的可行性。
2017年，美國(guó)NUBURU公司最早研制出藍(lán)光半導(dǎo)體激光器，繼而在2018年推出150W，2019年推出500W藍(lán)光激光器；2019年，德國(guó)Laserline公司在上海光博會(huì)首次展示了全球第一款1kW商用藍(lán)光半導(dǎo)體激光器。
將視線拉回國(guó)內(nèi)，有這樣一家機(jī)構(gòu)也早早實(shí)現(xiàn)了高功率藍(lán)光激光器的突破。2020年9月，廣東粵港澳大灣區(qū)硬科技創(chuàng)新研究院（簡(jiǎn)稱“硬科院”）首次推出自主研發(fā)的工業(yè)級(jí)藍(lán)光半導(dǎo)體直接輸出激光器，輸出功率為500W；今年3月，在上海光博會(huì)上，硬科院又進(jìn)一步突破，推出1000W藍(lán)光半導(dǎo)體激光器。該系列產(chǎn)品主要用于高反材料的焊接、熔覆，3D打印等，不僅填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)在該領(lǐng)域的市場(chǎng)空白，其技術(shù)也處于世界領(lǐng)先水平。
新技術(shù)路線：實(shí)現(xiàn)“無飛濺焊接”，較紅外光效率提升至少8倍
據(jù)了解，廣東硬科院是經(jīng)廣東省科學(xué)技術(shù)廳批復(fù)，由廣州高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)管委會(huì)舉辦、依托中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所、西科控股聯(lián)合共建的省屬新型研發(fā)機(jī)構(gòu)。其藍(lán)光激光器研發(fā)團(tuán)隊(duì)隸屬硬科院光電技術(shù)創(chuàng)新中心，是由深耕光電行業(yè)幾十年的資深海歸博士帶領(lǐng)，兼有光學(xué)、結(jié)構(gòu)、電氣、工藝等經(jīng)驗(yàn)豐富的技術(shù)人才。通過對(duì)激光加工市場(chǎng)深入的調(diào)研和技術(shù)路線的對(duì)比，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)：相比紅外光，藍(lán)光在材料加工領(lǐng)域更具先天優(yōu)勢(shì)。
據(jù)硬科院首席科學(xué)家扈金富介紹：“紅外激光器在許多工業(yè)運(yùn)用領(lǐng)域表現(xiàn)出色，但在相應(yīng)波段的高反金屬加工方面并不理想，而藍(lán)光對(duì)同樣材料的吸收率是紅外光10－20倍，同時(shí)用藍(lán)光激光加工還能改善紅外激光加工導(dǎo)致的飛濺問題。”
不同材料對(duì)不同波長(zhǎng)激光吸收率比較
以硬科院自主研發(fā)的藍(lán)光激光器為例，在加工工業(yè)領(lǐng)域最常見的高反材料“銅”時(shí)，若使用常規(guī)紅外激光器所需功率約為4000瓦，而藍(lán)光激光器則只需400－800瓦即可實(shí)現(xiàn)加工；同時(shí)，銅金屬對(duì)藍(lán)光的高吸收率大大增加了工藝過程窗口，可通過參數(shù)控制對(duì)焊接效果進(jìn)行細(xì)微調(diào)整，實(shí)現(xiàn)“無飛濺焊接”；除了質(zhì)量上的提升，藍(lán)光焊接銅金屬還具有明顯的速度優(yōu)勢(shì)，至少比紅外激光焊接快8倍。
藍(lán)光半導(dǎo)體激光器（左為500W，右為1000W）
“技術(shù)路線上，我們的藍(lán)光激光器是采用行業(yè)首創(chuàng)的‘自由空間輸出＋細(xì)光束矩形光斑＋高填充面陣光束’結(jié)構(gòu)，兼顧高功率、小尺寸、輕重量，其體積僅為固體激光機(jī)體積的1／10——1／5，系統(tǒng)穩(wěn)定性更強(qiáng)，避免了固體激光機(jī)需要經(jīng)常維修的情況。”扈金富表示道。
產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用：革新高反材料加工領(lǐng)域，新能源電池、3C優(yōu)勢(shì)突出
藍(lán)光激光器雖然是激光領(lǐng)域發(fā)展的新秀，但在高反材料加工領(lǐng)域有著明顯的優(yōu)勢(shì)，目前在新能源電池焊接、3C以及合金等領(lǐng)域已逐漸暫露頭角。
如在鋰電子電池的焊接中，藍(lán)光激光器完美適配應(yīng)用場(chǎng)景。鋰離子電池通過將多個(gè)薄銅片和鋁片相鄰地分層來實(shí)現(xiàn)高能量密度，其中多層電極片的連接和電池極耳的焊接，都可以使用藍(lán)色激光器焊接，其比常規(guī)的超聲波焊接和紅外激光焊接速度更快，一致性也更好；焊接過程中無飛濺污染物，也有效避免了因此導(dǎo)致的電池短路、影響性能安全等問題。
藍(lán)色激光也適用于電子產(chǎn)品大批量制造上，例如手機(jī)、平板電腦和計(jì)算機(jī)的制造——任何以銅為主要元件的應(yīng)用。藍(lán)色激光在焊接銅、不銹鋼和鋁方面已經(jīng)證明了其優(yōu)勢(shì)。事實(shí)上，藍(lán)色激光也適用于薄金屬之間的低／無缺陷快速連接。
此外，在顯示、存儲(chǔ)、探測(cè)、醫(yī)療等領(lǐng)域，藍(lán)光激光器也逐漸受到市場(chǎng)關(guān)注。
當(dāng)然，藍(lán)光激光器仍存在其不足，那就是目前功率密度較低，這也是國(guó)際和國(guó)內(nèi)藍(lán)光激光器水平的實(shí)際狀況。相信隨著研究的深入，這一問題將會(huì)逐漸改善。
隨著“十四五”規(guī)劃發(fā)布，國(guó)內(nèi)激光產(chǎn)業(yè)將獲得更大發(fā)展空間，擺脫同質(zhì)化競(jìng)爭(zhēng)勢(shì)在必行。藍(lán)光激光器作為新興技術(shù)路線，雖然尚處于發(fā)展初期，但卻已在高反材料加工領(lǐng)域初現(xiàn)崢嶸。隨著激光產(chǎn)業(yè)由高速發(fā)展階段向高質(zhì)量發(fā)展階段轉(zhuǎn)換，差異化壁壘逐漸顯現(xiàn)，藍(lán)光激光器也將在高精尖產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域展現(xiàn)更多可能。
